Исследование электрослабых взаимодействий с помощью детектора ЛЗ на ЛЭП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

'г/

ос:

г1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ФИЗИКИ

Президиум ВАК России ! (решениеот"X " 19^г„

судил ученую степень

„ ^ —. наук

начальник Управления ВАК России

На правах рукописи

Пляскин Василий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСЛАБЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА

ЛЗ НА ЛЭП

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ФИЗИКИ

На правах рукописи

Пляскин Василий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСЛАБЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА

ЛЗ НА ЛЭП

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

Содержание

1 Введение 3

2 Детектор ЛЗ на ЛЭП 7

2.1 Общее описание детектора.......................................7

2.2 Магнит...................................................8

2.3 Мюонный детектор ..................................................................9

2.4 Калоримеры ..........................................................................13

2.5 Сцинтилляционные счетчики........................................................13

2.6 Центральный трековый детектор..................................................13

2.7 Микровершинный кремниевый детектор..........................................16

2.8 Монитор светимости ................................................................18

2.9 Триггер................................................................................21

2.10 Электрон-позитронный коллайдер ЛЭП.................................22

3 Калориметры 26

3.1 Требования к калориметрии в эксперименте ЛЗ..................................26

3.2 Адронный калориметр ................................29

3.3 Измерение энергии в калориметрах установки ЛЗ.............................35

4 Рождение и распады Z бозонов 40

4.1 Особенности картины распада......................................41

4.2 Моделирование процессов образования и регистрации частиц в детекторе ЛЗ 42

4.3 Реакция е+е~ —>• адроны..........................................44

4.4 Реакция е+е~ —> (7)............................................................47

4.5 Реакция е+е~ —>• т+т~(7)..........................................53

4.6 Реакция е+е~ —> е+е~(7) .........................................64

4.7 Измерения с Ь-адронами ............................................................68

5 Определение параметров электрослабых взаимодействий 79

5.1 Сечения и асимметрии в низшем порядке теории................ 79

5.2 Радиационные поправки .............................. 81

5.3 Процедура фитирования и эффективные константы связи........... 82

5.4 Экспериментальные систематические погрешности............... 83

5.5 Масса, полная ширина и парциальные ширины Ъ ... ............. 84

5.6 Определение параметров Стандартной Модели по измеренным полным сечениям, вперед/назад асимметриям и г-поляризации.............. 85

5.7 Эффективные константы связи слабых нейтральных токов........... 87

5.8 Результаты, получаемые в рамках Стандартной Модели........................88

5.9 Результаты измерений в других экспериментах на ЛЭП и в других экспериментах ......................................... 89

6 Заключение 94

Глава 1

Введение

Открытие в начале 70-х годов диагональных нейтральных токов в эксперименте по рассеянию нейтрино на ядрах с помощью пузырьковой камеры Гаргамель [1] положило начало интенсивным исследованиям электрослабых взаимодействий. Эксперименты по глубоко-неупругому /Ж рассеянию в течение долгого времени оставались источником наиболее точной информации об этих взаимодействиях [2, 3, 4]. Они дали мощный импульс усилиям экспериментаторов в их поисках промежуточных бозонов, предсказываемых моделью электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама [9]. Эти усилия привели к созданию в начале 80-х годов в ЦЕРН, а затем, и во ФНАЛ рр коллайдеров и открытию Щ и Ъ [5, 6, 7, 8].

В тот же период были получены другие фундаментальные результаты, а именно: были открыты с [10] и Ь [12] кварки и т-лептоны [11]. Открытие этих частиц способствовало развитию Квантовой хромодинамики (КХД) [14], которая, в совокупности с моделью электрослабых взаимодействий, составляет основу так называемой Минимальной Стандартной Модели (МСМ).

Следует отметить, что все (за исключением т-лептона) вышеперечисленные открытия, равно как и недавнее открытие Шкварка [13], были сделаны на ускорителях адронов в экспериментах как с фиксированной мишенью, так и на коллайдерах. Однако, большие трудности выделения все более и более редких событий из фона, который обычно сопровождает взаимодействия адронов, не позволяет проводить исследования этих новых частиц и их взаимодействий с достаточно высокой точностью.

Такую возможность предоставляют электрон-позитронные коллайдеры. Преимущество экспериментов на таких машинах состоит в определенности и простоте начального состояния, точном знании энергии взаимодействия в системе центра масс, которая к тому-же совпадает с лабораторной системой координат, и в отсутствии фона частиц сопровождения (т.н. спектаторов), неизбежно возникающих при глубоко неупругих столкновениях адронов.

Уже первые эксперименты на электрон-позитронном накопителе ВЭПП-2 в Новосибирске [15] по исследованию свойств р [16] и ф [17] мезонов продемонстрировали уникальные возможности предоставляемые е+е- коллайдерами для проведения измерений сечений ре-

IN

E

o^

с о

'■н

о

(D </>

(Л

<л о

о

10

-29

10

-31

10

-33

10

I-35

10

,-37

10'

•39

10-1

р / СО

J/y

1 lib

10

1 TeV \

102 103 104

Ecm (GeV>

Рис. 1.1: Сечение е+е взаимодействий.

1

зонансного рождения подобных частиц, определения их масс и полных и парциальных ширин распада.

Последовавшее вслед за первыми успешными экспериментами создание электрон-позитрон ускорительно-накопительных комплексов с все более высокой энергией е+е~ столкновений (SPEAR,DORIS,CESR,PETRA,PEP,ВЭПП-4М,TRISTAN) позволило детально исследовать свойства т-лептонов и частиц содержащих с и b кварки. Большой Электрон Позитронный Коллайдер (ЛЭП) в ЦЕРН [18] и Линейный Суперколлайдер в Стэнфорде [19] были построены специально для исследования свойств Z (а на втором этапе ЛЭП и W) бозонов.

Так как с увеличением энергии сечение е+е~ взаимодействий падает (рис. 1.1), для получения высокой статистики экспериментальных данных, необходимой для проведения прецизионных измерений, на каждом этапе требуется не только увеличивать энергию сталкивающихся частиц, но и светимость коллайдера.

Одновременно с этим, постольку поскольку растет и энергия рождающихся при е+е~

столкновениях частиц, для получения необходимой точности измерений их параметров приходится увеличивать размеры экспериментальных установок и их сложность.

В принципе, все детекторы на коллайдерах представляют собой многослойные структуры, окружающие точку взаимодействия и перекрывающие большую часть полного телесного угла. Обычно, в центральной части установки находится прибор для измерения координат треков заряженных частиц, который служит для определения их скорости по кривизне треков в магнитном поле. Затем следуют детекторы (калориметры), измеряющие энергию как заряженных, так и нейтральных частиц и, наконец, внешний слой детекторов служит для регистрации мюонов. В зависимости от физических задач, решаемых в каждом эксперименте, та или иная часть из вышеперечисленного набора детекторов бывает более или менее выражена в конкретной установке [20, 16, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]. Общая тенденция развития установок состояла во все большей их универсализации и все большему вниманию к измерению характеристик адронов, рождающихся в е+е~ столкновениях. В этом контексте экспериментальные установки на ЛЭП [30]: АЛЕФ, ДЕЛФИ, ЛЗ и ОПАЛ [31, 32, 33, 34] представляют собой яркое отражение этой тенденции и находятся на качественно новом уровне, т.к. каждая из них ориентирована на как можно более точное измерение параметров всех частиц, рождающихся во всевозможных каналах распадов промежуточных бозонов W и Z. Это, однако, не означает, что все черыре детектора на ЛЭП имеют одинаковый потенциал в изучении всех физических процессов.

Так, в установке ЛЗ большой акцент сделан на измерении потоков энергии частиц калориметрическим методом. Для достижения высокого энергетического и пространственного разрешения при измерениях в калориметрах, на этапе разработки концепции детектора в ИТЭФ были впервые исследованы свойства многослойных калориметров с урановыми абсорберами и газовыми детекторами. Результаты этих исследований легли в основу конструкции адронного калориметра детектора ЛЗ.

При работе ЛЭП в Z пике проводились следующие измерения:

• определение свойств Z (масса, полная ширина);

• измерение констант связи Z со всеми лептонами и кварками с массой меньше половины массы Z ;

• поиски новых явлений, новых частиц и новых взаимодействий;

• исследование сильных взаимодействий в обилии рождающихся в Z резонансе кварков, а также изучение связанных со слабыми заряженными токами распадов лептонов и кварков.

С начала работы ЛЭП в 1989 году и к моменту завершения в 1995 году физической программы измерений в области Z пика каждый из четырех экспериментов набрал статистику, соответствующую интегральной светимости примерно 150 пбарн-1.

В диссертации приводятся результаты, полученные в эксперименте ЛЗ на основе данных, накопленных в этот период.

Изложение материала начинается с описания экспериментальной установки и ее основных конструкционных особенностей. Приводятся характеристики составляющих ее детекторов, полученные на основании опыта их эксплуатации в течении более шести лет работы ЛЭП.

Отдельная глава посвящена калориметрии. В этой главе суммируются, результаты исследований урановых калориметров с газовыми детекторами, описывается конструкция калориметров, входящих в установку ЛЗ, а также описываются основанные на специально проведенных исследованиях методы оптимизации энергетического разрешения при измерении энергии отдельных адронов и адронных струй.

Затем приводятся физические результаты измерений параметров Z-бoзoнa и характеристик его распадов.

Представляемая детектором ЛЗ возможность исследований Й, как при их рождении через нейтральные токи, так и в их распадах через заряженные токи, позволяеет опре-дилить константы связи с этими токами несколькими независимыми способами. Таким образом, осуществляется строгая проверка Стандартной Модели. Этим проверкам посвящена отдельная глава. В этой главе приводятся результаты исследований электрослабых взаимодействий, полученные с помощью детектора ЛЗ, и проводится их сравнение с соответствующими результатами других экспериментов на ЛЭП и с предсказаниями Стандартной Модели.

В заключении суммируются результаты представленные в диссертации.

Глава 2

Детектор ЛЗ на ЛЭП

Изображенный на рис. 2.1 детектор ЛЗ предназначен для изучения е+е~ столкновений при энергиях вплоть до 200 Гэв, при этом особое внимание уделяется измерению энергий электронов, фотонов, мюонов и адронных струй с высокой точностью [33]. Элементы детектора расположены внутри 7800 тонного магнита, создающего индукцию 0.5 Т. Относительно низкая напряженность магнитного поля, но в большом объеме выбрана с целью оптимизации разрешения мюонного спектрометра, которое линейно улучшается с ростом напряженности поля, в то время как с ростом длины измеренного трека разрешение растет квадратично. ""*

2.1 Общее описание детектора

Все детекторы, составляющие установку, закреплены на стальной опорной трубе, имеющей длину 32 м и диаметр 4.45 м. Труба механически связана с элемемтами магнитного тракта ЛЭП, и ее ось совпадает с осью пучков. Такая конструкция позволяет производить точную геодезическую привязку детектора ЛЗ и пучков ЛЭП. Три слоя камер, составляющих мюонный спектрометр, находятся снаружи опорной трубы коаксиальнно с нею.

Внутри трубы, в ее центральной части, расположены остальное элементы детектора. Они имеют структуру вложенных друг в друга коаксиальных циллиндров, окружающих пучковую вакуумную камеру. Внутренняя циллиндрическая часть установки состоит из (от внешнего к внутреннему слою): мюонного фильтра, адронного калориметра, электромагнитного калориметра, центрального трекового детектора, микровершинного детектора и вакуумной камеры ЛЭП. Торцевые части, перекрывающие области, прилегающие к направлению сталкивающихся частиц, состоят из мюонных камер, адронного калориметра, электромагнитного калориметра и трековых детекторов. Мониторы светимости охватывают вакуумопровод ЛЭП и расположены непосредственно перед квадрупольными линзами по обе стороны от места пересечения.

Рис. 2.1: Детектор JT3. SMD-микровершинный трековый детектор; Vertex Chamber -центральный трековый детектор; BGO-электромагнитный калориметр; Hadron Calorimeter-адронный калориметр; Support Tube-опорная труба; Muon Chambers-мюонные 'камеры; Forward Backward Muon Chambers- торцевые мюонные камеры; Magnet Coil-обмотка магнита; Magnet Yoke- ярмо магнита; Luminosity Monitor-монитор светимости.

2.2 Магнит

Катушка магнита изготовлена из алюминевых пластин и имеет внутренний радиус 5.93 м и длину 11.9 м. Две независимые цепи охлаждения катушки сделаны из высокоустойчевого к коррозии алюминевого сплава. 168 витков обмотки собраны из 28 элементов, каждый из которых весит 40 тонн. Внутренняя поверхность обмотки покрыта охлаждемой водой тепловой защитой находящихся внутри магнита мюонных камер.

Ярмо магнита изготовлено из мягкой стали с содержанием углерода 0.5%. Его цил-линдрическая часть представляет собой 1100-тонную самоподдерживающуюся ячеистую стуктуру. Эта структура служит поддержкой для заполняющих ее 5600 тонн железа, необходимого для поглощения обратного магнитного потока. Замыкающие с каждой стороны внутренний об'ем магнита полюса выполнены в виде двух дверей весом по 340 тонн. Такая конструкция полюсов позволяет производить сборку и разборку мюонного спектрометра.

Карта магнитного поля во внутренней части опорной трубы была измерена с помощью датчиков Холла. В оставшемся объеме карта поля определяется с помощью тысячи маг-нитосопротивлений, установленных на мюонных камерах. Помимо этого, пять ЯМР датчиков отслеживают абсолютное значение магнитного поля. Напряженность поля в центре магнита равна 0.5 Т.

2.3 Мюонный детектор

Мюонный детектор [35] состоит из двух восьмигранных колец весом по 86 тонн. Каждое кольцо содержит 8 независимых элементов - октантов. Октант представляет собой механическую конструкцию, поддерживающую 5 дрейфовых камер (Р-камер) (рис. 2.2).

Outer Chamber (МО)

16 wires

О Receiver

Middle (MM)

24 wires

Lens

Inner (MI) ^ LED

16 wires

-И Юс

____JL ,

5 cm:-

2.9 m

1 9 I ? I 9

™ 6 i 6 1

Honeycomb -; Alum

I О | О ] 29 Field Wires]

I 6 k

24 sense Wires] " HV MESH FIELD SHAPING

X " X

X ;

)( 1 cm

Рис. 2.2: Конструкция дрейфовых камер и их размещение в октанте. Показаны элементы системы юстировки: ЬЕВ-светодиод; Ьепв-линза; Кес1еуег- квадрантный фотодиод.

Каждая камера имеет по несколько сигнальных проволочек, равномерно распределенных по ее толщине. По времени возникновения сигналов с этих проволочек измеряются координаты треков в отклоняющей (г/ф) плоскости. Две камеры внешнего слоя (МО) имеют по 16 сигнальных проволочек, две камеры промежуточного слоя (ММ) - по 24 и одна камера внутреннего слоя (М1) - 16. В дополнение к этому, на внешних поверхностях камер М1 и МО расположены дрейфовые камеры измеряющие координату 2 вдоль пучка. Камеры промежуточного слоя помещены между слоями тонкого ячеистого алюминия, которые имеют среднюю по поверхности толщину, приходящуюся на оба слоя, - 0.9% радиационной длины. Такая конструкция ММ камер позволяет ограничить вклад многократного рассеяния в ошибку измерения саггиты треков. Для частиц с импульсом 50 Гэв/с этот вклад не превышает 30 ¿ш.

Из-за относительно малой кривизны треков, мюоны с энергией больше 3 Гэв прохо-

дят только через один октант. Вследствие этого, важной для точных измерений является лишь взаимная юстировка камер внутри одного октанта. Для достижения проектного разрешения, систематическая ошибка взаимной юстировки камер поддерживается на уровне ниже 30 /ш. Своей циллиндрической частью мюонный спектрометр перекрывает область полярных углов между 36° и 144°.

2.3.1 Р- и z-камеры

Помимо сигнальных проволочек, Р-камеры содержат (см. рис. 2.2) проволочки корректирующие (выравнивающие) электрическое поле в дрейфовом промежутке (Field Wires) и защитные (от электрических разрядов) проволочки (Field Shaping). Сигнальные и корректирующие проволочки зафиксированы на панельках (двух внешних и одной промежуточной), изготовленных из стекла Пирекс и углеродного волокна. Точность фиксации проволочек составляет примерно 10 цт в направлении отклонения треков и примерно 40 /лп в ортогональном к нему направлении. Конструкция ячеек обеспечивает высокую однородность электрического поля во всем активном объеме камер.

Система юстировки камер встроена в панельки. Она состоит из светодиодов, линз и квадрантных фотодиодов. Принцип юстировки основан на фокусировке света от светодио-да, установленного на одной из внешних панелек, с помощью линзы встроенной в промежуточную панельку на квадрантный фотодиод, находящийся на противоположной внешней панельке.-Требуемая взаимная юстировка